▲ 체크 패턴 탄소 매트릭스(checkered carbon matrix)의 향상된 기체 전달 현상을 이용한 고성능 수전해 시스템 구현 / 수전해는 수소와 산소가 발생하는 두 반응으로 구성되어 있으며, 액체 전해질과 발생한 기체의 이동 현상을 향상시키는 것이 고성능 수전해 시스템 구현에 필수적이다. 타이타늄 섬유로 이루어진 다공성 전달층 위에 체크 무늬의 다공성 탄소 매트릭스와 촉매를 형성함으로써 전기화학 반응이 일어날 수 있는 활성 면적을 증가시키는 동시에 전해질과 기체의 이동을 향상시켜 수전해 시스템의 성능을 향상시켰다.(그림 및 설명=인천대학교 권오중 교수)  © 특허뉴스

수소 생산의 가격 경쟁력과 에너지 효율을 획기적으로 높일 수 있는 새로운 기술이 개발되어 주목받고 있다. 

한국연구재단은 권오중 교수(인천대학교), 김명준 교수(성균관대학교), 성영은 교수(서울대학교) 공동 연구팀이 수소 생산을 위한 수전해 기술의 고전류 영역에서 에너지 효율을 크게 향상시킬 수 있는 고분자 전해질 수전해용 일체형 전극과 단일 열분해 공정을 성공적으로 개발했다고 밝혔다.

수전해 기술은 물을 전기 분해해 수소를 생산하는 과정으로, 전기에너지를 화학에너지로 변환하여 저장하는 기술이다. 하지만, 이 기술에서 수소 생성 반응과 산소 발생 반응이 상호작용하며 서로의 흐름을 방해해 효율을 저해하는 문제점이 있었다. 특히, 이러한 문제는 고전류 영역에서 더욱 두드러졌다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 고전류에서 효율이 우수한 일체형 전극 구조를 도입했다. 이 전극은 다공성 전달층과 촉매층을 일체형으로 구성하고, 단일 열분해 공정을 개발하여 기존 전극의 한계를 극복했다. 다공성 전달층은 수전해 과정에서 전기를 전달하면서 생성된 산소를 배출하고 물을 공급하는 역할을 한다.

연구팀이 개발한 일체형 전극은 표면적이 넓지 않아 촉매의 양이 제한된 기존 전극의 단점을 개선하기 위해, 다공성 전달층에 체크 패턴의 다공성 탄소 지지체를 형성했다. 이를 통해 표면적을 넓히고, 촉매가 내부까지 고르게 분포하도록 하여 전극 표면의 탄소가 소실되더라도 내부 촉매가 지속적으로 노출되어 활성을 유지하도록 했다.

이러한 촉매층은 다공성 전달층의 기공을 막지 않고, 산소가 전극 전체에 고르게 생성되며 물의 공급이 원활하게 이루어져 고전류 영역에서도 우수한 성능을 발휘한다. 실험 결과, 적은 양의 귀금속 촉매를 사용하고도 높은 활성도를 유지할 수 있었으며, 고전류 환경에서도 물질 전달이 원활하게 이루어짐을 확인했다.

이번에 개발된 일체형 전극 기술은 액체를 반응물로 사용하고 기체를 발생시키는 시스템뿐만 아니라, 기체를 반응물로 사용해 액체를 발생시키는 전기화학 시스템에도 적용될 수 있을 것으로 기대된다.

이 연구 성과는 에너지 재료 분야의 권위 있는 국제 학술지 '어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)'에 8월 29일 온라인으로 게재되었다.

이 혁신적인 기술은 수소경제의 핵심 요소인 수소 생산의 효율성을 극대화하여, 수소 기반 에너지 사회의 구현을 한층 앞당길 수 있을 것으로 기대된다.

논문명은 Enhancing Proton Exchange Membrane Water Electrolysis with a Checkered Carbon Matrix Containing Ir-Ru Nanoparticles 이다.